I ett papper publicerat i Naturvetenskapliga rapporter , ett team av forskare vid Worcester Polytechnic Institute (WPI) har visat hur en enhet som använder ljusstrålar för att greppa och manipulera små föremål, inklusive enskilda celler, kan miniatyriseras, öppna dörren för att skapa bärbara enheter som är tillräckligt små för att sättas in i blodomloppet för att fånga enskilda cancerceller och diagnostisera cancer i sina tidigaste stadier.

Tekniken, känd som optisk pincett, använder optiska strålar av laserljus för att skapa ett attraktivt kraftfält som kan hålla, eller fälla, små föremål på plats utan fysisk kontakt. Traditionella optiska pincetter fokuserar ljuset med ett stort och dyrt objektiv, vilket gör enheten skrymmande och mottaglig för miljöfluktuationer. Dessa begränsningar gör det möjligt att använda optiska pincetter utanför labbet.

I deras Vetenskapliga rapporter papper ("Objektivfri objektivfri fiberbaserad positionsdetektering med nanometerupplösning i ett fiberoptiskt infångningssystem, ") ett team som leds av Yuxiang" Shawn "Liu, biträdande professor i maskinteknik, förklarar hur det har kunnat ersätta linserna med små optiska fibrer och miniatyrisera enheten.

"För närvarande, att testa för cancer, du måste vänta tills det finns en synlig tumör eller en tillräcklig mängd cancerceller i ett blodprov, "sa han." Vid den tiden, cancern kan vara avancerad. Men cancer börjar med enstaka celler. Om läkare kunde separera dessa celler bland miljontals blodceller, vi kunde upptäcka cancer mycket tidigare - vid en punkt där det inte syns med andra tekniker. Detta kan öka diagnoserna med månader eller till och med år, och göra behandlingen mycket mer framgångsrik. "

Första demonstrationen på 1980 -talet, optisk pincett har blivit ett kritiskt verktyg för forskare inom biologi, kemi, och fysik för att utföra experiment på den molekylära och cellulära skalan. Eftersom de kan fånga små föremål och hålla dem på plats, borta från kontakt med allt som kan förändra deras tillstånd eller funktion, pincetten gör det möjligt att studera material eller enskilda celler utan att ta bort dem från sin egen miljö.

Även om enheterna kan vara användbara på fältet (för att testa vatten- eller jordprover, till exempel) eller på sjukhus och läkarkontor, deras nuvarande design gör dem för stora (cirka 2 till 3 fot långa och cirka 2 fot breda) och för känsliga (deras noggrannhet kan påverkas av en lätt luftström) för att vara användbara utanför en högkontrollerad labinställning.

För att göra enheten mindre, lättare, och mer bärbar, Liu bestämde sig för att ersätta linsen med optiska glasfibrer. Men eftersom en optisk fiber är extremt tunn (ungefär bredden på ett människohår), dess spets är för liten för att fungera som ett objektiv, så en enda fiber kan inte fokusera en laserstråle tillräckligt intensivt för att skapa en optisk fälla. Liu fann att han kunde skapa en tredimensionell optisk fälla genom att använda två fibrer för att projicera skärande ljusstrålar. På detta sätt kunde han hålla ett litet sfäriskt föremål på plats samtidigt som det bestämde dess position med nanometernoggrannhet och mätte styrkan hos fällans grepp om föremålet.

"Detta bevisar att vi inte behöver linsen för att skapa fällan, "sa Liu, som har arbetat med detta projekt i cirka 12 år. "Om vi ​​vill ha en liten, bärbart system, vi behöver bara optiska fibrer för att fånga upp och mäta cellerna. "

Genom att använda optiska fibrer, Liu sa att han kan bygga optiska pincetter som är mer robusta och 100 gånger mindre än traditionella versioner. Med ytterligare forskning, han sa att han tror att han kan skapa en klinisk anordning om storleken på en vanlig spruta som kan sättas in i ett blodkärl för att fånga enskilda celler. Han sa att pincetten till och med kunde bli en del av ett frimärksstorlekstorlek på ett chip, som integrerar några få labfunktioner på en integrerad krets. Chippen kunde säljas på apotek så att patienterna kunde testa sig själva hemma.

Liu samarbetar med Qi Wen, docent i fysik, och Songbai Ji, docent i biomedicinsk teknik. Doktorander Chaoyang Ti (maskinteknik), Yao Shen (maskinteknik), och Minh-Tri Ho-Thanh (fysik) ingår också i forskargruppen.

Medan de kliniska tillämpningarna av den fiberoptiska pincetten kan vara flera år lediga, forskargruppen arbetar med att ytterligare förfina sin enhet, skapa ett nytt paket för att skydda de spröda spetsarna på de optiska fibrerna och för att göra pincetten mer användarvänlig för andra forskare. De arbetar också med att hitta små, billiga laserkällor och optiska detektorer.